陳志剛，李成鎮(zhèn)，杜彥生，魏新華，鐘志堂

(1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 4.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇南京 210017)

在傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑過程中，農(nóng)藥的混合和攪拌都是在噴灑之前進(jìn)行。預(yù)混藥過程中，操作者須要與農(nóng)藥接觸，農(nóng)藥對操作者存在一定的毒害危險，且預(yù)混藥方式的混藥量很難掌握，多余的農(nóng)藥也會造成環(huán)境污染和農(nóng)藥浪費(fèi)[1-3]。在線混藥技術(shù)既節(jié)約農(nóng)藥，可以減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，同時也可以減少農(nóng)藥對操作者的危害，提高混藥的安全性，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[4-5]。目前，國內(nèi)外主要開展了直接注入式混藥技術(shù)和射流混藥技術(shù)研究[6-11]。直接注入式混藥對注藥泵要求較高，存在一定的滯后性，且成本較高，很難在國內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。射流混藥技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于推廣，但其混藥比較低，難以實(shí)際應(yīng)用，且射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)確定后，其混藥比基本不會改變，混藥比難以調(diào)節(jié)，限制了其應(yīng)用范圍[12-16]。脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)技術(shù)用于流量調(diào)節(jié)主要通過改變電磁閥的通斷時間之比來調(diào)節(jié)流量，具有流量調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)[17-19]。因此，本研究將PWM技術(shù)與射流在線混藥技術(shù)相結(jié)合，采用PWM技術(shù)對射流混藥器吸藥量進(jìn)行控制，設(shè)計基于單片機(jī)的藥液流量控制系統(tǒng)，結(jié)合在線混藥系統(tǒng)，對不同PWM信號頻率和占空比條件下的混藥比進(jìn)行試驗(yàn)，以期提高藥液流量調(diào)節(jié)精度，從而達(dá)到提高混藥比(水流量與藥液流量之比)、擴(kuò)大混藥比調(diào)節(jié)范圍的目的。

1 基于PWM變量的在線混藥系統(tǒng)

在線混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水箱、藥箱、射流混藥器、三缸柱塞泵、藥液流量控制系統(tǒng)、高速電磁閥、小流量傳感器、渦輪流量計、壓力表、噴頭等構(gòu)成。噴桿長8 m，等間距布置20個噴頭，噴頭選用F110-015型扇形噴頭。

在線混藥系統(tǒng)的工作過程為柱塞泵從水箱抽水，產(chǎn)生的高速水流射入射流混藥器，高速水流進(jìn)入射流混藥器在吸藥室產(chǎn)生負(fù)壓，模擬藥液(模擬藥液由水與染色劑按一定比例混合而成，以下簡稱藥液)被吸入射流混藥器，與水經(jīng)射流混藥器混藥室完成混合后進(jìn)入噴桿?；趩纹瑱C(jī)的藥液流量控制系統(tǒng)輸出不同頻率和占空比的PWM信號，改變設(shè)置在藥液管路高速電磁的啟閉，控制射流混藥器吸入的藥液流量，以達(dá)到控制系統(tǒng)混藥比的目的。小流量傳感器實(shí)時檢測藥液流量，并實(shí)時顯示瞬時藥液流量和累計藥液流量。

1.1 射流混藥器

根據(jù)在線混藥系統(tǒng)的噴霧流量、壓力等要求，設(shè)計一套射流混藥器，混藥管直徑初步設(shè)定為4 mm，射流嘴出口直徑初步設(shè)定為2 mm，結(jié)合射流混藥器的實(shí)際應(yīng)用，材料采用具有耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)的不銹鋼材質(zhì)。射流混藥器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 射流混藥器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 藥液流量控制系統(tǒng)

為了提高在線混藥系統(tǒng)的混藥比，設(shè)計一個基于單片機(jī)的藥液流量控制系統(tǒng)，由圖3可知，系統(tǒng)主要由按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊、單片機(jī)、電磁閥驅(qū)動電路、高速電磁閥等構(gòu)成。單片機(jī)采用具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)的宏晶公司STC系列STC89C54RC型單片機(jī)，按鍵模塊由按鍵A和按鍵B組成，按鍵A改變PWM信號的頻率，按鍵B改變PWM信號的占空比。PWM信號頻率及占空比均由數(shù)碼管顯示模塊顯示。高速電磁閥采用6013A型直動式電磁閥(德國Burkert公司)，供電電壓為24 V，工作壓力為0～0.6 MPa，接口尺寸為3/8內(nèi)螺紋。

1.3 流量檢測

在射流混藥器進(jìn)口處的水流量檢測和出口處的水藥混合總量檢測均采用渦輪流量計，渦輪流量計選用LWGY-MK-DN6型液體渦輪流量計(杭州米科傳感技術(shù)有限公司)，量程為0.1～0.6 m3/h，檢測精度為±2%滿量程，輸出電流為4～20 mA，工作電壓為直流24 V。

射流混藥器的吸藥室吸入藥液流量檢測采用931系列微流量傳感器(北京中科泰德科技有限公司)，量程為0.025～12.000 L/min，脈沖輸出。藥液流量控制系統(tǒng)輸出PWM信號不同，流量隨之改變，931系列小流量傳感器的輸出為脈沖信號，輸出脈沖數(shù)量隨流量增大而增多，輸出脈沖波形隨PWM信號變化情況如圖4所示，通道1為微流量傳感器輸出脈沖，通道2為PWM信號波形。流量的顯示采用CHJE08型流量積算器(北京中科泰德科技有限公司)，流量積算器實(shí)時顯示流量傳感器的累計流量和瞬時流量，16位A/D轉(zhuǎn)換器，測控周期為0.2 s，適用于電流、電壓、脈沖輸出的流量傳感器或變送器，具有數(shù)字濾波和小信號切除功能。

2 在線混藥的混藥比控制試驗(yàn)

通過按鍵設(shè)定單片機(jī)輸出PWM信號的頻率及占空比，PWM信號的頻率先后設(shè)定為 1、2、5、8、10、16、18 Hz，占空比設(shè)定范圍為1/10～9/10，步長為1/10。為了體現(xiàn)出藥液流量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)混藥比效果，設(shè)置對照試驗(yàn)，PWM信號占空比設(shè)為10/10，電磁閥處于常開狀態(tài)，藥液流量控制系統(tǒng)不起作用，所得混藥比即為未采用藥液力量控制系統(tǒng)時的混藥比，與其他占空比條件下混藥比形成對照。試驗(yàn)時噴霧壓力為0.3 MPa(噴頭正常工作壓力)，每次試驗(yàn)，混藥系統(tǒng)連續(xù)工作15 min，測量記錄系統(tǒng)15 min的累計水流量和累計藥液流量，計算得出混藥比(累計流量與累計藥液流量之比)，每個處理3次重復(fù)，取平均值。

3 結(jié)果與分析

由圖5可知，在未采用藥液流量控制系統(tǒng)情況下(占空比為10/10時)，系統(tǒng)混藥比為11.19 ∶1，采用藥液流量控制系統(tǒng)情況下，系統(tǒng)的混藥比相較于未采用時得到提高。同一頻率下，隨著單片機(jī)PWM波占空比的減小，混藥比逐漸增大。當(dāng)PWM信號頻率為18 Hz、占空比為1/10時，系統(tǒng)混藥比達(dá)到154.74 ∶1，藥液流量控制效果最好，混藥比比未采用藥液流量控制系統(tǒng)時約提高15倍。擴(kuò)大了在線混藥系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)了在線混藥系統(tǒng)的混藥比在11 ∶1～154 ∶1 范圍內(nèi)在線實(shí)時可調(diào)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了基于PWM變量在線混藥系統(tǒng)及以單片機(jī)為核心的藥液流量控制系統(tǒng)，可以通過按鍵設(shè)定輸出PWM信號的頻率及占空比，同時通過數(shù)碼管顯示模塊實(shí)時顯示設(shè)定值，藥液流量控制系統(tǒng)簡潔實(shí)用、成本低廉。采用藥液流量控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的混藥比相較于未采用PWM控制時得到提高，同一頻率下，隨PWM信號占空比的減小，混藥比逐漸增大，當(dāng)PWM信號頻率為18 Hz、占空比為1/10時，混藥比達(dá)到 154.74 ∶1，混藥比相較于未采用PWM控制時約提高15倍。本研究設(shè)計的基于STC89C54RC單片機(jī)的藥液流量控制系統(tǒng)，有效擴(kuò)大了在線混藥系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)了在線混藥系統(tǒng)的混藥比在11 ∶1～154 ∶1范圍內(nèi)在線實(shí)時可調(diào)。